중성미자 질량차이 측정 성공

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 대학 공동연구진이 원자로에서 방출되는 중성미자의 파동주기를 관측해 중성미자 중 가장 가벼운 것과 가장 무거운 것의 질량 차이가 전자 질량의 약 10억분의 1 정도로 매우 적다는 것을 측정했다고 밝혔다.

김수봉 교수(서울대)가 책임자인 공동연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구)을 통해 수행했으며, 연구결과는 물리학분야의 최고 권위의 학술지인 피지컬리뷰레터(Physical Review Letters) 에 게재됐다.

중성미자의 질량은 너무 작아 아직도 측정되지 않고 있다. 카지타 교수와 맥도날드 교수는 중성미자 진동변환 발견으로 중성미자의 질량의 존재를 처음으로 입증하는 업적으로 2015년 노벨 물리학상을 수상했다. 그들은 세 종류의 변환확률 중 두 가지를 1998년과 2001년에 측정했고, 마지막 변환확률은 국내 리노(RENO) 연구진이 2012년 4월에 성공적으로 측정했다.

중성미자의 변환은 한 종류의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 변하는 현상으로 변환확률은 변환이 얼마나 크게 일어나는지를 말한다. 중성미자의 질량이 서로 달라야 그 차이에 의해 변환이 일어난다. 중성미자 변환 발견은 질량 차이를 의미하고 그것은 질량이 존재함을 증명한 셈이 된다.

비록 중성미자 절대 질량이 너무 작아 측정이 거의 불가능하지만 중성미자간 질량 차이를 알아내게 되면 이 입자의 질량 근원에 대한 해답에 가까이 갈 수 있게 된다.

중성미자의 가장 가벼운 것과 가장 무거운 것의 질량 차이가 매우 적지만 성공적으로 측정함으로써 절대 질량을 밝히기 위한 토대를 마련했다.

이번 결과는 질량 차이의 측정뿐만 아니라 원자로 중성미자가 검출장비까지 날아오는 도중에 다른 종류의 중성미자로 바뀐 확률을 2012년 처음 측정한 결과보다 오차를 무려 2배 이상 줄였다.

가속기를 사용해 측정한 중성미자 변환확률은 ‘물질과 반물질의 비대칭성’과 원자로 중성미자 변환확률에 의해 결정되는데 연구팀이 측정한 변환확률을 정밀 측정하고 가속기로 측정한 변환확률을 합치면 이 비대칭성을 밝힐 수 있다. 이로 인해 물리학의 난제로 남아 있는 우주의 ‘물질과 반물질의 비대칭성’을 알아낼 수 있는 가능성에 한 걸음 더 다가선 셈이다.

이번 정밀 측정을 통해 원자로의 중성미자 에너지 스펙트럼이 놀랍게도 그 동안 학계에서 통용되던 것과는 다르게 특정 에너지 영역에서 뚜렷한 차이가 있음을 발견했다. 이 결과는 그 동안 ‘원자로 중성미자 퍼즐’로 알려져 있던 문제점의 실마리를 제시할 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구 결과는 현재 수집한 약 1천500일의 데이터 중의 1/3 정도만을 분석한 것이다. 앞으로 더 많은 데이터의 수집과 더 개선된 분석을 통해 실험 오차를 더욱 줄여 중성미자의 변환확률과 질량 차이를 최종 목표인 5%의 오차를 가진 정밀 측정 결과를 얻어낼 계획이다.